Основы расчета водохранилищ

Основными характеристиками водохранилищ являются (рис. 19):

По уровню воды – НПУ, ФПУ, УМО.

По объему воды: полный объем – V (НПУ – дно), полезный объем – Vп (НПУ – УМО), мертвый объем – Vм (УМО – дно), призма форсирования – Vф (ФПУ – НПУ). Подробная информация по этим характеристикам представляется на практических занятиях.

Рис. 19. Поперечный профиль и план водохранилища

Величины полезного объема и НПУ водохранилищ устанавливают в результате водохозяйственных расчетов путем сопоставления и анализа речного стока, поступающего в проектируемое водохранилище и плановой отдачи из него.

Применяемые методы расчетов водохранилищ подразделяют на две группы:

- группа методов, основанная на использовании календарных рядов стока,

- группа методов, использующих обобщенные статистические параметры, обоснованные исходя из теории вероятности и математического моделирования рядов стока.

При расчетах по календарным рядам стока прежде всего выбирают расчетный водохозяйственный год. Это, как правило, маловодный год, в котором объем стока за год и за лимитирующий сезон (например, зимнюю или летнюю межень) близки к объемам стока расчетной обеспеченности (90…95% для систем водоснабжения или бесперебойная водоподача в течении 90…95 лет из 100).

Объемы стока за год и межень расчетной обеспеченности определяют известными в гидрологии способами в зависимости от продолжительности наблюдений за стоком (СП 33-101-2003).

Так, при длительных наблюдениях (более 20 лет) расчетный год выбирается из реальных лет. Распределение стока внутри расчетного года принимают таким же, как и в выбранном реальном году.

При недостаточности данных по стоку расчетный год и внутригодовое распределение стока определяются методом «компоновки».

Наконец, при отсутствии данных используют реки-аналоги или имеющиеся районные схемы внутригодового распределения стока.

Для выбранного расчетного года последовательно за каждый расчетный интервал времени (декада, месяц) проводят балансовые расчеты и определяют возможность сезонного регулирования стока, полезный и полный объемы водохранилища, объемы сбросов и отметку НПУ.

Многолетнее регулирование стока, как уже отмечалось, применяется тогда, когда стока воды в водохранилище в расчетный маловодный год будет не хватает водопотребителям.

При многолетнем регулировании потребность в воде в эти маловодные годы должна обеспечиваться как стоком воды в эти годы, так и сработкой запасов в водохранилище, сформированных в многоводные годы. Таким образом, полезный объем водохранилища с многолетним регулированием стока состоит из сезонной и многолетней составляющих объема: Vп = Vс + Vмн. Для определения этих составляющих полезного объема используется, также как и для сезонных водохранилищ, балансовый метод (по календарным рядам стока) и метод обобщенных статистических параметров стока.

При расчетах многолетних водохранилищ балансовым методом расчетный интервал времени принимается равным 1 году. Алгоритм этих расчетов принципиально не отличается от расчетов полезного объема сезонного водохранилища.

Для окончательного выбора параметров ВДХ производятся технико-экономическое сравнение различных вариантов отдачи, НПУ и УМО.

В последние годы вариантное проектирование ГТС получило широкое распространение. Применительно к задаче водохозяйственных расчетов оно заключается в переборе различных вариантов местоположения ВДХ и величин его характеристик. Так, например, мы можем задаться 5 и более вариантов отдачи из ВДХ и для каждого из них определить Vп, Vпол и НПУ.

Для различных отметок НПУ вычисляются приведенные затраты на строительство ВДХ в расчете на 1 млн. м3 или 1 млн. квт часов (ЗТ). Для каждого варианта НПУ оценивается негативное влияние ВДХ (затопление, подтопление и т.д.) и потери в стоимостном выражении (Пт). На рис. 21 приведены функции затрат и потерь в зависимости от отметки НПУ.

Рис. 21

Сумма (ЗТ + Пт) будет иметь минимум при определенной отметке НПУ. В качестве критериев оптимальности могут выступать также максимальная прибыль и минимальный срок окупаемости капиталовложений в строительство ВДХ. Крупные проектные водохозяйственные организации (например, Гидропроект, ВНИИГ) разработали и используют программное обеспечение по водохозяйственным и технико-экономическим расчетам водохранилищ для объектов гидроэнергетики, водоснабжения и т.д.

Следует отметить, что в состав водохозяйственных расчетов, кроме расчетов характеристик ВДХ, входят также расчеты:

- продолжительности заполнения многолетних ВДХ,

- сроков и объема заиления ВДХ,

- переформирования берегов,

- диспетчерского графика ВДХ.

Продолжительность заполнения ВДХ определяется также воднобалансовым методом по календарным или смоделированным рядам стока и принятой отдачи.

Продолжительность заиления до отметок УМО и НПУ можно установить по формулам: t нпу = Vнпу/Vн и t умо = Vумо/Vн, где Vн - среднемноголетний объем взвешенных и донных наносов, остающихся в ВДХ (разница между поступающими и сбрасываемыми наносами, см. тему 8).

4. Диспетчерский график водохранилища

В период эксплуатации ни одно из ВДХ не работает в режиме постоянной отдачи. В многоводные периоды и годы образуются излишки воды, которые сбрасываются из ВДХ. В маловодные годы и периоды неизбежно уменьшение отдачи, т.е. имеет место ограничение водопотребления из ВДХ.

Поэтому, в целях рационального использования водных ресурсов при эксплуатации ВДХ обычно переходят на переменную отдачу воды. Это позволяет повысить экономическую эффективность регулирования стока.

Для управления работой ВДХ разрабатывается диспетчерский график - хронологический график изменения уровней или объемов воды в ВДХ с выделенными зонами отдачи (рис.22). По оси ординат откладываются уровни или объемы воды в ВДХ, абсцисс – время (месяцы). Поле графика разделено на несколько зон:

1 – зона гарантированной отдачи,

2 – зона ограниченной отдачи,

3 – зона избытков воды.

Эти зоны ограничены линиями: противосбросной, противоперебойной и ограниченной отдачи.

Линий противоперебойной и ограниченной отдачи обычно 2…3, рассчитанных на разную обеспеченность отдачи (или бесперебойность).

Диспетчерский график строят на основании результатов балансовых расчетов по календарным рядам стока или обобщенным статистическим параметрам.

Рис. 22. Диспетчерский график сезонного водохранилища

Диспетчер, имея отметки уровня или объемов воды в ВДХ, руководствуясь этим графиком, принимает то или иное решение о подаче воды потребителям, сбросах из ВДХ и т.д.